Što je hipertonično rješenje?

Većina ljudi je svjesna da slana hrana ima svojstvo izazivanja žeđi. Možda ste također primijetili da vrlo slatka hrana čini isto. To je zato što sol (kao natrijevi i kloridni ioni) i šećeri (kao molekule glukoze) djeluju kao aktivni osmoli kada se otopi u tjelesnim tekućinama, prvenstveno u serumskoj komponenti krvi. To znači da, kad se otope u vodenoj otopini ili biološkom ekvivalentu, oni mogu utjecati na smjer u kojem će se kretati voda u blizini. (Otopina je jednostavno voda s jednom ili više otopljenih tvari.)

"Ton", u smislu mišića, znači "zategnutost" ili na drugi način podrazumijeva nešto što je fiksirano pred konkurentskim silama u povlačenju. Toničnost, u kemiji, odnosi se na tendenciju otopine da uvlači vodu u usporedbi s nekom drugom otopinom. Rješenje koje se proučava može biti hipotonična, izotonični ili hipertonična u usporedbi s referentnim rješenjem. Hipertonska rješenja imaju značajan značaj u kontekstu života na Zemlji.

Prije rasprave o implikacijama relativne i apsolutne koncentracije otopina, važno je razumjeti načine na koje se oni kvantificiraju i izražavaju u analitičkoj kemiji i biokemija.

Često se koncentracija krutina otopljenih u vodi (ili drugim tekućinama) izražava jednostavno u jedinicama mase podijeljenim s volumenom. Na primjer, glukoza u serumu obično se mjeri u gramima glukoze po decilitru (desetina litre) seruma ili g / dL. (Ova uporaba mase podijeljene s volumenom slična je onoj koja se koristi za izračunavanje gustoće, osim što u mjerenjima gustoće postoji samo jedna tvar koja se proučava, npr. grami olova po kubnom centimetru olova.) Masa otopljene tvari po jedinici volumena otapala također je osnova za "postotak mase" mjerenja; na primjer, 60 g saharoze otopljene u 1.000 ml vode je 6-postotna otopina ugljikohidrata (60 / 1.000 = 0,06 = 6%).

U pogledu gradijenata koncentracije koji utječu na kretanje vode ili čestica, važno je znati ukupan broj čestica u jedinici volumena, bez obzira na njihovu veličinu. Upravo ta, a ne ukupna otopljena masa utječe na ovo kretanje, iako ovo može biti kontraintuitivno. Za to znanstvenici najčešće koriste molarnost (M), što je broj molova tvari u jedinici volumena (obično litra). To je pak određeno molarnom masom ili molekularnom težinom tvari. Prema dogovoru, jedan mol tvari sadrži 6,02 × 10²³ čestice, dobivene od toga je broj atoma u točno 12 grama elementarnog ugljika. Molarna masa tvari je zbroj atomskih težina njezinih sastavnih atoma. Na primjer, formula za glukozu je C₆H₁₂O₆ a atomske mase ugljika, vodika i kisika su 12, 1 odnosno 16. Stoga je molarna masa glukoze (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Dakle, da biste utvrdili molarnost 400 ml otopine koja sadrži 90 g glukoze, prvo odredite broj prisutnih molova glukoze:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Podijelite ovo s brojem prisutnih litara da biste utvrdili molarnost:

(0,5 mol) / (0,4 L) = 1,25 M

Čestice koje se mogu slobodno kretati u otopini sudaraju se slučajno i međusobno se usmjeravaju pojedinačne čestice proizašle iz tih sudara međusobno se poništavaju tako da nema neto promjene koncentracije rezultatima. Rečeno je da je rješenje u ravnoteža pod tim uvjetima. S druge strane, ako se u otopinu uvede više otopljene tvari, povećana učestalost sudari koji slijede rezultiraju neto kretanjem čestica iz područja veće koncentracije u područja niže koncentracija. To se naziva difuzijom i doprinosi konačnom postizanju ravnoteže, a ostali se čimbenici drže konstantnima.

Slika se drastično mijenja kada se u smjesu uvode polupropusne membrane. Stanice su zatvorene upravo takvim membranama; "polupropusna" znači jednostavno da neke tvari mogu proći, dok druge ne mogu. Što se tiče staničnih membrana, male molekule poput vode, kisika i plina ugljičnog dioksida mogu se useliti u i izlazi iz stanice jednostavnom difuzijom, izbjegavajući proteine ​​i molekule lipida koji čine veći dio membrana. Većina molekula, uključujući natrij (Na⁺), klorid (Cl^-) i glukoza ne mogu, čak i kada postoji razlika u koncentraciji između unutrašnjosti stanice i vanjske strane stanice.

Osmozaprotok vode kroz membranu kao odgovor na diferencijalne koncentracije otopljene tvari s obje strane membrane jedan je od najvažnijih koncepata stanične fiziologije koji treba savladati. Otprilike tri četvrtine ljudskog tijela sastoji se od vode, slično kao i kod ostalih organizama. Ravnoteža tekućine i pomaci vitalni su za doslovno preživljavanje od trenutka do trenutka.

Tendencija nastanka osmoze naziva se osmotski tlak, a otopljene tvari koje rezultiraju osmotskim tlakom, što ne čine svi, nazivaju se aktivnim osmolima. Da bismo razumjeli zašto se to događa, korisno je samu vodu smatrati "otopljenom supstancom" koja se kreće s jedne strane polupropusne membrane na drugu kao rezultat vlastitog gradijenta koncentracije. Tamo gdje je koncentracija otopljene tvari veća, "koncentracija vode" je niža, što znači da će voda teći u smjeru visoke koncentracije do niske koncentracije, baš kao i bilo koja druga aktivna osmola. Voda se jednostavno pomiče na ujednačavanje udaljenosti koncentracije. Ukratko, ovo je razlog zašto ožednite kad jedete slani obrok: vaš mozak reagira na povećana koncentracija natrija u vašem tijelu tražeći da u sustav unesete više vode - to signalizira žeđ.

Fenomen osmoze prisiljava na uvođenje pridjeva za opisivanje relativne koncentracije otopina. Kao što je gore dotaknuto, tvar koja je manje koncentrirana od referentne otopine naziva se hipotoničnom ("hipo" grčki znači "ispod" ili "nedostatak"). Kad su dvije otopine podjednako koncentrirane, izotonične su ("iso" znači "isto"). Kada je otopina koncentriranija od referentne, ona je hipertonična ("hiper" znači "više" ili "višak").

Destilirana voda je hipotonična za morsku; morska je voda hipertonična za destiliranu vodu. Dvije vrste sode koje sadrže potpuno jednaku količinu šećera i drugih otopljenih tvari su izotonične.

Zamislite što bi se moglo dogoditi sa živom stanicom ili skupinom stanica ako bi sadržaj bio visoko koncentriran u usporedbi s okolnim tkivima, što znači da li su stanice ili stanice hipertonične za svoje okruženje. S obzirom na ono što ste naučili o osmotskom tlaku, očekivali biste da se voda preseli u stanicu ili skupinu stanica kako bi nadoknadila veću koncentraciju otopljenih tvari u unutrašnjosti.

Upravo se to događa u praksi. Primjerice, ljudske crvene krvne stanice, formalno nazvane eritrociti, obično su u obliku diska i na dvije strane udubljene, poput pogače koja je stegnuta. Ako se stave u hipertoničnu otopinu, voda nastoji napustiti crvene krvne stanice, ostavljajući ih kolabirane i "šiljaste" pod mikroskopom. Kad se stanice stave u hipotoničnu otopinu, voda se nastoji useliti i napuhati stanice pomakne gradijent osmotskog tlaka - ponekad do točke da ne pukne već pukne Stanice. Budući da stanice koje eksplodiraju u tijelu općenito nisu povoljan ishod, jasno je da je izbjegavanje većih razlika osmotskog tlaka u susjednim stanicama u tkivima presudno.

Ako se bavite vrlo dugim dijelom vježbanja, poput maratona za trčanje od 26,2 milje ili triatlona (plivanje, vožnja biciklom i trčanje), sve što ste prije pojeli, možda neće biti dovoljni da vas održavaju tijekom događaja jer vaši mišići i jetra mogu pohraniti samo toliko goriva, od čega je većina u obliku lanaca glukoze tzv. glikogen. S druge strane, unošenje bilo čega osim tekućina tijekom intenzivnog vježbanja može biti i logistički teško, a kod nekih i izazivanje mučnine. U idealnom slučaju, tada biste uzimali tekućine u nekom obliku, jer su one lakše za želudac, a i vi bi željeli tekućinu jako tešku šećera (odnosno koncentriranu) kako bi isporučili maksimalno gorivo radnim osobama mišići.

Ili biste? Problem ovog vrlo vjerojatnog pristupa je u tome što kada se crijeva apsorbiraju tvari koje jedete ili pijete, taj se proces oslanja na osmotski gradijent koji nastoji povući tvari u hrani iz unutarnje strane crijeva do krvi koja oblaže vaše crijevo, zahvaljujući tome što je pometeno pokretom voda. Kad je tekućina koju konzumirate visoko koncentrirana - odnosno ako je hipertonična za tekućine koje oblažu crijevo - to remeti ovaj normalni osmotski gradijent i "usisava" vodu natrag u crijevo izvana, uzrokujući zaustavljanje apsorpcije hranjivih sastojaka i poništavajući cijelu svrhu uzimanja slatkih pića na ići.

Zapravo su sportski znanstvenici proučavali relativne stope apsorpcije različitih sportskih pića koji sadrže različite koncentracije šećera i utvrdili su da je ovaj "protuintuitivan" rezultat ispravan. Hipotonična pića imaju tendenciju da se najbrže apsorbiraju, dok se izotonična i hipertonična pića sporije apsorbiraju, mjereno promjenom koncentracije glukoze u krvnoj plazmi. Ako ste ikada probali sportska pića kao što su Gatorade, Powerade ili All Sport, vjerojatno ste primijetili da su manje slatkog okusa od cole ili voćnog soka; to je zato što su projektirani tako da imaju nisku toničnost.

Razmotrite problem s kojim se suočavaju morski organizmi - odnosno vodene životinje koje specifično žive u Zemljinim oceanima: ne samo da žive u izuzetno slanoj vodi, već moraju dobiti vlastitu vodu i hranu iz ove visoko hipertonične otopine vrste; osim toga, u nju moraju izlučivati ​​otpadne tvari (uglavnom kao dušik, u molekulama poput amonijaka, uree i mokraćne kiseline), kao i iz njih dobivati ​​kisik.

Prevladavajući ioni (nabijene čestice) u morskoj vodi su, kao što biste očekivali, Cl^- (19,4 grama po kilogramu vode) i Na⁺ (10,8 g / kg). Ostali aktivni osmoli značajni za morsku vodu uključuju sulfat (2,7 g / kg), magnezij (1,3 g / kg), kalcij (0,4 g / kg), kalij (0,4 g / kg) i bikarbonat (0,142 gr / kg).

Većina morskih organizama, kao što biste mogli očekivati, izotonični su prema morskoj vodi kao osnovna posljedica evolucije; ne trebaju primjenjivati ​​nikakve posebne taktike za održavanje ravnoteže jer im je njihovo prirodno stanje omogućilo preživljavanje tamo gdje drugi organizmi nisu i ne mogu. Morski psi, međutim, iznimka su, održavajući tijela koja su hipertonična za morsku vodu. To postižu pomoću dvije glavne metode: U krvi zadržavaju neobičnu količinu uree, a mokraća koju izlučuju vrlo je razrijeđena ili hipotonična u usporedbi s njihovim unutarnjim tekućinama.